四极质谱仪具有结构简单和应用灵活等优点,是目前应用范围最广泛的质谱仪之一。质谱信号在产生和传递过程中极易受到噪声干扰,导致原始质谱数据失真,而仪器数据处理系统能够减弱噪声干扰,其性能直接影响了仪器的分析结果。传统四极质谱仪大多采用软件处理方法,由CPU运行操作系统并同时进行数据处理,具有软件集成度高,便于开发和调试等优点。但是受到串行指令执行方式的影响,传统方式也存在延时较长和资源消耗大等问题,难以满足某些实时、在线分析的要求,并且容易导致系统响应缓慢。采用更高性能CPU能缓解运算资源紧张的情况,但也会增加系统体积和功耗,不利于仪器未来的小型化发展。针对提高数据处理实时性和系统资源利用率的需要,本文开发一种基于FPGA的四极质谱仪数据处理系统,并在多个四极质谱仪器平台上开展了相关应用。搭建了小型四极质谱仪器平台,根据仪器原理对离子源、质量分析器和真空系统等关键部件进行了选型;研究了复合型跨阻抗电流放大和抗混叠滤波等技术,并设计了微弱信号采集电路;改进了控制系统结构,使用FPGA芯片运行数据处理系统。经测试,仪器平台质量扫描范围达到550 amu,分辨率达到0.6 amu,均达到预期指标。开发了基于FPGA芯片的数据处理系统,实现了微秒级延迟的实时数字滤波。系统采用MATLAB和Quartus Prime软件联合设计开发,由Filter Designer工具箱计算系数,由FIR II IP核进行滤波运算。通过剔除输出数据中部分无效位,解决了输出信号畸变问题。基于Verilog HDL语言设计了数字滤波器系数自动生成算法,简化了数字滤波器设计流程。使用MATLAB软件设计质谱数据分析程序,实现了谱峰识别及信噪比分析。经系统集成测试,功耗仅增加190 mW,仅占控制系统总功耗的1.7%。将数据处理系统分别应用于小型四极质谱仪器平台、GC-MS联用仪和Q-LIT质谱仪,并分别开展了全氟三丁胺、八氟萘溶液和利血平溶液的检测分析实验。对比分析了数据处理前后的基线和质谱数据,结果表明,基线噪声标准差衰减一半以上,谱峰信噪比分别增加1倍、2倍和5倍,信号质量大幅提高,同时验证了数据处理系统的有效性和通用性。